文章目录

1 概述
- 1.1 计算机网络
- - 1.1.1 计算机网络与Internet
  - 1.1.2 网络协议
- 1.2 计算机网络结构
- - 1.2.1 计算机网络结构
  - 1.2.2 Internet结构
- 1.3 数据交换
- - 1.3.1 电路交换
  - 1.3.2 多路复用
  - 1.3.3 报文交换
  - 1.3.4 分组交换
  - 1.3.5 性能比较
  - - 1.3.5.1 报文交换 vs 分组交换
    - 1.3.5.2 分组交换 vs 电路交换
- 1.4 计算机网络性能
- 1.5 计算机网络体系结构
- - 1.5.1 OSI参考模型
  - 1.5.2 TCP/IP参考模型
  - 1.5.3 五层参考模型
- 1.6 计算机网络发展历史

1 概述

1.1 计算机网络

1.1.1 计算机网络与Internet

计算机网络：计算机网络就是互连的、自治的计算机集合。

自治：无主从关系
互连：互联互通——通信链路。通过交换网络互连主机，在距离远、数量大时保证互连。

Internet：全球最大的互联网络。ISP(Internet Service Provider) 网络互连的“网络之网络”

数以百万计的互连的计算设备集合：
- 主机 (hosts) = 端系统 (end systems)
- 运行各种网络应用
通信链路：光纤, 铜缆, 无线电, 卫星……
分组交换：转发分组 (数据包)：路由器 (routers) 和交换机 (switches)
为网络应用提供通信服务的通信基础设施：Web, VoIP, email, 网络游戏, 电子商务, 社交网络, …
为网络应用提供应用编程接口 (API)：支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据。提供类似于邮政系统的数据传输服务

1.1.2 网络协议

协议是计算机网络有序运行的重要保证

任何通信或信息交换过程都需要规则

协议规范了网络中所有信息发送和接收过程

网络协议(network protocol)：简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作” (actions)

协议的三要素：

语法 (Syntax)：数据与控制信息的结构或格式；信号电平
语义 (Semantics)：需要发出何种控制信息；完成何种动作以及做出何种响应；差错控制
时序 (Timing)：事件顺序；速度匹配

1.2 计算机网络结构

1.2.1 计算机网络结构

计算机网络由三部分构成：网络边缘、接入网络、网络核心

网络边缘：主机、网络应用
- 主机(端系统)：位于“网络边缘”，运行网络应用程序。如：Web, email
- 客户/服务器(client/server)应用模型：客户发送请求，接收服务器响应。如：Web应用，文件传输FTP应用
- 对等(peer-peer, P2P)应用模型：无 (或不仅依赖)专用服务器，通信在对等实体之间直接进行。如：Gnutella, BT, Skype, QQ
接入网络，物理介质：有线或无线通信链路
- 通过接入网络将网络边缘接入核心网 (边缘路由器)
- 带宽：数据传输速率。
- 典型的接入网络：
  - 数字用户线路 (DSL)：利用已有的电话线连接中心局的DSLAM，一般上传下载带宽是不同的，因此被称为非对称数字用户线路
  - 电缆网络：频分多路复用——在不同频带 (载波)上传输不同频道。各家庭共享家庭至电缆头端的接入网络，不同于DSL的独占至中心局的接入。
  - 典型家庭网络的接入
  - 机构 (企业)接入网络 (Ethernet)：端系统通常直接连接以太网交换机 (switch)
  - 无线接入网络：通过共享的无线接入网络 (基站 (base station) 或称为“接入点 (access point)”) 连接端系统与路由器
    - 无线局域网 (LANs)：同一建筑物内 (30m)；802.11b/g (WiFi)：11Mbps、54Mbps传输速率
    - 广域无线接入：通过电信运营商 (蜂窝网) ，接入范围在几十公里；3G、 4G: LTE、移动互联网；1 Mbps、10 Mbps、100Mbps
网络核心 (核心网络)：互联的路由器 (或分组转发设备)；网络之网络
- 网络核心的关键功能：路由+转发
- 网络核心解决的基本问题：通过**数据交换 (Data Exchange)**实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机

1.2.2 Internet结构

端系统通过接入ISP (access ISPs )连接到Internet：家庭、公司和大学ISPs

接入ISP必须进一步互连：这样任意两个主机才可以互相发送分组

通过 IXP (Internet exchange point) 互联
通过对等链路 (peering link) 互联

可能出现区域网络 (regional networks)连接接入ISP和运营商ISP

内容提供商网络(content provider networks，如： Google、Microsoft等) 可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容

1.3 数据交换

1.3.1 电路交换

最典型电路交换网络：电话网络

电路交换的三个阶段：建立连接 (呼叫/电路建立)；通信；释放连接 (拆除电路)

电路交换的显著特点是独占资源的

电路交换网络通过多路复用 (Multiplexing) 共享中继线

1.3.2 多路复用

多路复用(Multiplexing)：链路/网络资源 (如带宽)划分为“资源片”，将资源片分配给各路“呼叫” (calls)，每路呼叫独占分配到的资源片进行通信，资源片可能“闲置”(idle) (无共享)

典型多路复用方法：

频分多路复用 (frequency division multiplexing-FDM )：频分多路复用的各用户占用不同的带宽 (Hz) 资源，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
时分多路复用 (time division multiplexing-TDM )：将时间划分为一段段等长的时分复用帧 (TDM 帧)，每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每用户所占用的时隙周期性出现。时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。
波分多路复用 (Wavelength division multiplexing-WDM)：波分复用就是光的频分复用*
码分多路复用 (Code division multiplexing-CDM )：每个用户分配一个唯一的m bit码片序列(chipping sequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)；各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据，编码信号 = (原始数据) × (码片序列)
- 条件：各用户码片序列相互正交
- 各用户生成编码信号以后，在信道中会相互叠加形成新的传输信号，在接收端则可以使用想接收用户的码片解码，如下

1.3.3 报文交换

报文：源 (应用)发送信息整体。比如：一个文件

报文交换直接整体发送一个文件

1.3.4 分组交换

分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包

分组交换需要报文的拆分与重组，产生额外开销。

分组交换不像电路交换会申请特定的独占的链路资源，所以存在多个主机共享同一段链路资源 (分组序列不确定，按需共享链路)，因此称其为统计多路复用 (Statistical Multiplexing)

报文交换与分组交换均采用存储-转发 (store-and-forward) 交换方式。区别：

报文交换以完整报文进行“存储-转发”
分组交换以较小的分组进行“存储-转发”·

1.3.5 性能比较

1.3.5.1 报文交换 vs 分组交换

发送主机：接收应用报文 (消息) 拆分为较小长度为 L bits的分组 (packets)；在传输速率为R的链路上传输分组

分组传输延迟 (时延) (delay)= L bits / R (bits/sec)

报文交换：
- 报文长度为M bits
- 链路带宽为R bps
- 每次传输报文需要M/R秒
- 跳步数：h
- 路由器数：n
- 报文交付时间：T = hM / R = (n+1)M / R
分组交换：
- 报文被拆分为多个分组
- 分组长度为L bits
- 每个分组传输时延为L/R秒
- 跳步数：h
- 路由器数：n
- 报文交付时间：T = M / R + (h-1)L / R = M / R + nL / R

1.3.5.2 分组交换 vs 电路交换

分组交换允许更多用户同时使用网络——网络资源充分共享

分组交换适用于突发数据传输网络，资源充分共享，简单、无需呼叫建立，但可能产生拥塞 (congestion)：分组延迟和丢失，所以需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制。

1.4 计算机网络性能

速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)：单位时间 (秒)传输信息 (比特)量，计算机网络中最重要的一个性能指标。单位：b/s (或bps)、kb/s、Mb/s、Gb/s

k=10³、M=10⁶、G=10⁹

“带宽” (bandwidth) 原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹 (Hz)。网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps)

延迟/时延(delay或latency)，四种分组延迟：

d_proc：结点处理延迟 (nodal processing delay)
- 差错检测
- 确定输出链路
- 通常< msec
d_queue：排队延迟 (queueing delay)
- 等待输出链路可用
- 取决于路由器拥塞程度
- R：链路带宽(bps)、L：分组长度 (bits)、a：平均分组到达速率，流量强度 (traffic intensity)= La/R
  - La/R ~ 0：平均排队延迟很小
  - La/R -> 1：平均排队延迟很大
  - La/R > 1：超出服务能力，平均排队延迟无限大！
d_trans：传输延迟 (transmission delay)——车队通过收费站时间
- L：分组长度(bits)
- R：链路带宽 (bps)
- d_trans = L/R
d_prop：传播延迟 (propagation delay)——每台车从第一个收费站跑到第二个收费站用时
- d：物理链路长度
- s：信号传播速度 (~2×108 m/sec)
- d_prop = d/s

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽 = d_prop * R (bits)

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失 (丢包)：队列缓存容量有限，分组到达已满队列将被丢弃 (即丢包)，丢弃分组可能由前序结点或源重发 (也可能不重发)

丢包率= 丢包数 / 已发分组总数

吞吐量 (Throughput)：表示在发送端与接收端之间传送数据速率 (b/s)

即时吞吐量：给定时刻的速率
平均吞吐量：一段时间的平均速率

瓶颈链路 (bottleneck link)：端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路。

1.5 计算机网络体系结构

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构，计算机网络体系结构简称网络体系结构 (network architecture) 是分层结构，每层遵循某个/些网络协议完成本层功能，计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义，体系结构是抽象的。

实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP(Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务。

1.5.1 OSI参考模型

开放系统互连 (OSI)参考模型是由国际标准化组织 (ISO) 于1984年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络系统的互联互通。

OSI参考模型解释的通信过程如下图，可以看出应用层、表示层、会话层、传输层是端到端的。

数据封装：增加控制信息，构造协议数据单元 (PDU)。控制信息主要包括:

地址（Address）: 标识发送端/接收端
差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正
协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制等

七层功能：

应用层（Application）：支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
表示层（Presentation）：处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics ）问题
- 数据表示转化：转换为主机独立的编码
- 加密/解密
- 压缩/解压缩
会话层（Session）：对话控制（dialog controlling）：建立、维护
- 同步：在数据流中插入“同步点”
- 最“薄”的一层
传输层（Transport）：负责源-目的（端-端）的（进程间）完整报文传输
- 分段与重组
- SAP寻址：确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
- 连接控制
- 流量控制
- 差错控制
网络层（Network）：负责源主机到目的主机数据分组（packet）传输，可能穿越多个网络
- 逻辑寻址（Logical addressing）：全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址
- 路由（Routing）：路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机
- 转发（Forwarding）
数据链路层（Data link）：负责结点-结点（node-to-node）数据传输
- 组帧（Framing）
- 物理寻址（Physical addressing）：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
- 流量控制（Flow control）：避免淹没接收端
- 差错控制（Error control）：检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
- 访问控制（Access control）：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权
物理层（Physical）
- 接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
- 比特编码
- 数据率
- 比特同步：时钟同步
- 传输模式：单工（Simplex）——单向传输、半双工（half-duplex）——交替双向通信、全双工（full-duplex）——同时双向通信

1.5.2 TCP/IP参考模型

在TCP/IP参考模型下，是网络接口无关的，只要能封装成IP数据报，即可在网际传输。

1.5.3 五层参考模型

综合 OSI 和 TCP/IP 的优点

应用层: 支持各种网络应用，FTP, SMTP, HTTP
传输层: 进程-进程的数据传输，TCP, UDP
网络层: 源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP协议、路由协议等
链路层: 相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输，以太网（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP
物理层:比特传输

5层参考模型下的网络通信过程与数据封装

1.6 计算机网络发展历史

略

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